單片機點陣led電子顯示屏設計--硬件設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 3V，2V甚至到 1V，工作電流由 mA 降至 μA ，這在便攜式產品中大有用武之地 。 單片機的技術門檻較低開發成本也較低非常適合初學者進行學習和鍛煉使用。現在市場上常用的單片機主要有 MCS5 AVR、 ARM、 PIC 等。其中 應用最廣泛的單片機首推 Intel的 52 系列，由于產品硬件結構合理，指令系統規范，加之生產歷史 “悠久 ”，有先入為主的優勢常作為單片機學習的教材。 且 52 系列的 I/O 腳的設置和使用非常簡單，當該腳作輸入腳使用時，只須將該腳設置為高電平（復位時，各 I/O 口均置高電平）。當該腳 作輸出腳使用時， 6 則為高電平或低電平均可。所以在控制部分方案的選擇中選定 52 系列單片機作為控制部分的核心器件。 顯示部分方案選擇 顯示部分包括了一塊至少可以顯示一個漢字的顯示屏，以及驅動該顯示屏的驅動電路。由于單片機的 I/O 口有限要不能直接用 I/O 口來驅動 LED 顯示屏，所以需要對單片機 I/O 口進行擴展增加單片機并行輸出的能力 [7]。 LED 顯示屏是由一個一個的發光二極管點陣構成的，要構成大屏幕的 LED 顯示屏就需要多個發光二極管。構成 LED 屏幕的方法有兩種，一是由單個的發光二極管逐點連接起來，如圖 22所示；二是選用一些由單個發光二極管構成的 LED點陣子模塊構成大的 LED點陣模塊。目前市場上普遍采用的點陣模塊有 8 1616 等 幾種；這兩種屏幕構成方法各有有缺點，單個發光二極管構成顯示屏優點在于當單個的發光二極管出現問題時只需更換一個二極管即可，檢修的成本較低，缺點在于連接線路復雜；而點陣模塊構成的方法卻正好與之相反，模塊構成省約了大量的連線，不過當一個 LED 出現問題時同在一個模塊的所有 LED 都必須被更換。這就加大了維修的成本。 兩種方法相比較，決定采取模塊構成的方法來制作一個 LED 點陣顯示屏。為了 避免模塊的缺點，選擇點陣數較小的模塊來減小出現這一問題的風險。所以構建一個 1616 的 LED 點陣屏選用四塊 88 點陣模塊。 7 圖 22 LED 點陣圖 一個 1616 的 LED 顯示屏行和列各有 16 支引腳，不能單靠 52 單片機的端口驅動所以必須要對單片機的端口個數進行擴展。經常采用的端口擴展方法是用串并轉換芯片進行譯碼。常用的串并轉換芯片有 74LS154（ 4 線 16 線譯碼器）、 74HC138（ 8 位串并轉換器）、 74HC595等。 52 系列單片機端口低電平時，吸入電流可達 2０ｍＡ，具有一定的驅動能力；而為高 電平時，輸出電流僅數十 μＡ甚至更小（電流實際上是由腳的上拉電流形成的），基本上沒有驅動能力，所以單片機不能直接驅動 LED 顯示屏顯示。在單片機和顯示屏之間還需要增加以功能放大位目的的驅動電路 [8]。 功能要求 本方案設計一個電子顯示屏，具體要求滿足以下條件： （ 1） 要求采用 52 單片機作為微控制器 。 （ 2） 通過四個 1616 的點陣 LED 進行文字顯示 。 （ 3） 在目測條件下 LED 顯示屏各點亮度均勻、充足、穩定、清晰無串擾。 （ 4） 文字顯示具有每排字有滾動和逐排等顯示方式。 8 系統 總 結構 最終確定硬件設計方案 最終方案如圖 23 所示，以 PC 機作為上位機存儲和處理顯示內容用串行通信的方式將顯示內容和控制指令傳輸到單片機系統，單片機根據上位機傳輸來的內容和指令通過端口譯碼擴展后驅動 4 塊 88LED 點陣模塊構成的 1616 的 LED 點陣顯示屏 [9]。題目將以此方案為指導思想展開具體的硬件電路設計。 該系統的組成結構如圖 23 所示 。 圖 23 系統組成結構 圖 PC 機 串行通信 譯碼電路 16x16LED 顯示屏 單片機 顯示驅動電路 9 3 系統硬件設計 硬件電路大致上可以分成單片機系統及外圍電路、列驅動電路和行驅動 電路三部分。 硬件整體設計概述及功能分析 顯示系統具體設計主要由上位機，通信系統，單片機系統，譯碼電路，顯示驅動電路和1616 的點陣屏六部分組成。具體工作流程為：上位 PC 機通過通信系統向單片機發送控制指令和顯示代碼內容，單片機接收后執行控制指令處理顯示代碼將顯示內容通過 I/O 口串行輸出并且控制譯碼電路完成串并轉換并行輸出，最后由顯示驅動電路進行電壓和電流的處理以達到 LED 顯示屏的顯示電流，電壓要求進而使顯示屏顯示內容 [10]。 根據硬件的功能結構圖選取合適器件，器件不但要求能實現所要求的功 能還要能兼容至整個系統之中。通過查閱資料和對比最終的硬件原理圖如圖 31 所示。 圖 31 硬件原理圖 該系統所要實現的功能和要求有以下幾點： （ 1） LED 顯示屏的面積必須滿足至少顯示一個漢字的標準。并且顯示要清晰。 （ 2）驅動電路要能提供 LED 顯示所需范圍內的電壓和電流要求。 （ 3）譯碼電路的高低電平的區分能力以及譯碼的輸入輸出頻率必須滿足單片機以及驅動電路的要求。 （ 4）單片機要能接收上位機的指令和顯示內容且能夠處理后控制 LED 顯示屏的顯示，并 且端口驅動能力要足以驅動譯碼電路。執行頻率要能達到掃描顯示的最低要求。 （ 5）單片機由 ISP 下載線下載程序和供電，可不設立專用供電電源。 （ 6）由串口完成單片機與上位機的通信，通信速度和數據傳輸的可靠性要達到顯示要求。 復位電路 時鐘電路 STC89C52RC 單片機 行驅動 列驅動 16*64LED 點陣屏 10 控制單元設計 單片機最小 系統設計 控制電路設計中采用的是單片機系統，該系統必須要是工作在一個最小系統（指單片機的可以的最小配置系統）。 STC89C52RC 的最小系統包括了外界時鐘電路和復位電路，選定一定數量的 I/O 口作為控制口控制外部的各種器件和數據的輸出。根據功能選擇一 定的單片機端口添加外圍的器件，具體電路如圖 32 所示。 在該系統中， P0 各口主要用作 LED 顯示數據的行控制輸出。具體接法為： ,分別接 74HC138的 A端， B端 ,C端向 74HC138送入串行數據經過其轉換后并行輸出； ,接 138 芯片的使能控制端，當為低電平使允許輸出； , 接 595 的 SH_CP 端 ,ST_CP端 ,DS 端控件系統的列輸入，欲使 CPU 僅訪問外部程序存儲器（地址為 0000H－ FFFFH），EA 端必須保持低電平（接地）。因為沒有擴展外部程序存 儲器所以將 EA 置為高電平 [11]。 圖 32 控制部分電路圖 STC89C52RC 簡介 STC89C52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統可編程 Flash 存儲器 。 STC89C52 使用經典的 MCS52 內核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統 52 單片機不具備的功能。在單芯片上 ， 擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統可編程 Flash，使得 STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統提供 高靈活、超有效的解決方案。具有以下標準功能 ： 8k 字節 11 Flash， 522 字節 RAM， 32 位 I/O 口線， 看門狗定時器 ，內置 4KB EEPROM， MAX810 復位電路 ， 3 個 16 位 定時器 /計數器， 4 個外部中斷，一個 7 向量 4 級中斷結構（兼容傳統 52 的 5向量 2 級中斷結構），全雙工 串行口 。另外 STC89X52 可降至 0Hz 靜態邏輯操作，支持 2 種軟件 可選擇節電模式。空閑模式下， CPU停止工作，允許 RAM、 定時器 /計數器、串口、中斷繼續工作。掉電保護方式下， RAM 內容被保存，振蕩器被凍結， 單片機 一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。最高運作頻率 35MHz， 6T/12T 可選。 STC89C52RC 具有以下特點： 1. 增強型 8052單片機 ， 6時鐘 /機器周期 和 12時鐘 /機器周期可以任意選擇，指令代碼完全 兼容傳統 8052。 2. 工作電壓： ～ （ 5V 單片機 ） /～ （ 3V單片機） 。 3. 工作頻率 范圍： 0～ 40MHz，相當于普通 8052的 0～ 80MHz，實際工作頻率可達48MHz。 4. 用戶應用程序空間為 8K 字節 。 5. 片上集成 522字節 RAM。 6. 通用 I/O 口（ 32個），復位后為： P0/P1/P2/P3是 準雙向口 /弱上拉 ， P0口是漏極開路輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻 ， 作為 I/O 口用時 ， 需加上拉電阻。 7. ISP（在系統可編程） /IAP（在應用可編程），無需專用 編程器 ，無需專用 仿真器 ，可通過串口（ RxD/,TxD/）直接下載用戶程序，數秒即可完成一片 。 8. 具有 EEPROM 功能 。 9. 具有 看門狗 功能 。 10. 共 3個 16位 定時器 /計數器。即 定時器 T0、 T T2。 11. 外部中斷 4路 ， 下降沿中斷或低電平觸發電路， Power Down 模式可由外部中斷低電平觸發 中斷方式 喚醒 。 12. 通用異步 串行口 （ UART），還可用定時器 軟件 實現多個 UART。 13. 工作溫度范圍： 40～ +85℃ （工業級） /0～ 75℃ （商業級） 。 12 LED 點陣顯示設計 四個 1616的點陣構成一個 1664的點陣。行和列的交叉處有一個 LED，共由 1024個 LED構成，如果 LED 的陽極與行相連，而陰極與列相連，那么只要給 該 LED 對應的行以高電平，列以低電平，那么對應的 LED 就發光 [12]。 圖 33畫出了室內直插式 88點陣雙基色 LED 模塊實物圖。這種模塊由 64個發光 LED 芯片以 88的形式構成一個正方形模塊，然后用 2列 8針引腳將內部電路接口引出，供驅動電路使用。 圖 33 LED 點陣顯示 實物 圖 LED 數碼管結構簡單 ， 價格便宜。本文所述的是 LED 的數據顯示方式，這種方式通常使用 8 段 LED 或者 16 段 LED。在實際應用中，點亮 LED 數碼管的方式有靜態和動態 2 種方法。本文以 16 段 LED 作為示例來論證方案 。 （ 1） 靜態 顯示方式 靜態顯示方式，即 16 段 LED 數碼管在顯示某一個數碼時，加在數碼管上的段碼保持不變，直至換顯其他數碼為止。這樣數碼管的每一段均應由一條輸出線來控制，每顯示以為數碼需要 8 根輸出線，當 N 位顯示則需 N16 根輸出控制線。占用較多 I/O 資源。 （ 2） 動態顯示方式 為解決靜態顯示占用較多 I/O 資源的問題，在多位顯示時通常采用動態顯示方式，動態顯示是將所有數碼管的段碼線對應并聯在一起，由一個 16 位的輸出口控制，每位數碼管的公共端分別出一位 I/O 線控制。顯示不同數碼時，由位線控制各位輪流顯示。位線控制某位選通時， 該位應顯示數碼的段碼同時加在段碼線上，即每一時刻僅僅有一位數碼管是被點亮的，當輪流顯示的速度較快（每秒 24 次以上），由于人眼的視覺暫留現象，看起來就像所有位同 13 時顯示一樣，這時，我們就能看到穩定的圖像了 [13]。 由于單片機的特性，我們將采用方案 2：動態顯示方式，采用動態顯示方式進行顯示時，每一行有一個行驅動器，各行的同名列共用一個驅動器。顯示數據通常存儲在單片機的存儲器中，按 8 位一個字節的形式順序排放。顯示時要把一行中各列的數據都傳送到相應的列驅動器上去，這就存在一個顯示數據傳輸的問題。從控制電路到 列驅動器的數據傳輸可以采用并列方式或串行方式。 列 驅動單元設計 列 驅動系統設計 譯碼電路的功能是為了解決單片機 I/O端口不足。行譯碼所用器件為串并轉換器 74HC138和鎖存器 74HC595。兩個 138 級聯成 4 線 16 線譯碼器，三級管 Q1Q16 接顯示屏 H1H8 解決了顯示屏供電不足的問題 [14]。具體電路如圖 34 所示 。 圖 34 列 驅動電路圖 14 74HC138 簡介 74HC138 是一款高速 CMOS 器件， 74HC138 引腳兼容低功耗肖特基 TTL（ LSTTL）系列。 74HC138 譯碼器可接受 3 位二進制加權地址輸入（ A0, A1 和 A2），并當使能時，提供 8個互斥的低有效輸出（ Y0 至 Y7）。 74HC138 特有 3 個使能輸入端：兩個低有效（ E1 和 E2）和一個高有效（ E3）。除非 E1 和 E2 置低且 E3 置高，否則 74HC138 將保持所有輸出為高。利用這種復合使能特性，僅需 4 片 74HC138 芯片和 1 個反相器，即可輕松實現并行擴展，組合成為一個 132（ 5 線到 32 線）譯碼器。任選一個低有效 使能輸入端作為數據輸入，而把其余的使能輸入端作為選通端，則 74HC138 亦可充當一個 8 輸出多路分配器，未使用的使能輸入端